一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，针对码移键控调制信号的跟踪方法进行改进，具体涉及一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置。

背景技术

随着GNSS的发展，卫星导航精度已经得到极大地发展，基本可以满足社会正常的应用需求，但在一些特殊的领域，需要高精度位置服务，则需要播发大量的精密改正电文，那么高速率的电文传输速度成为亟待解决的问题。

码移键控(Code-shift-keying)调制可以在不改变原有扩频序列的前提下，仅仅通过额外增加码相位偏移维度，就能够提高电文速率。但码相位偏移的改变会显著增加解调时的复杂度，所以降低解调的复杂度是当前CSK解调的关键。

针对CSK信号跟踪，传统的跟踪方法是通过用码DLL进行码跟踪，接收机本地复现超前(Early)、即时(Prompt)、以及滞后(Late)信号，与接收到的导航信号进行相关的方法进行解调，而对于CSK(U,R)调制信号，每一个CSK符号，码相位初相都可能不同，可能有2

目前国内外对CSK信号跟踪方法尚在不断的研究阶段，为此，设计了一种低运算量的CSK信号解调方法，可以在使得接收机在跟踪CSK信号时不影响跟踪性能的情况下，降低运算量，使得接收机向着高性能、低功率和小型化的方向发展。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低运算量码移键控(CSK)信号跟踪方法及装置。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低运算量码移键控(CSK)信号跟踪方法，该方法包含以下步骤：

本发明提出一种根据导航信号相关结果具有稀疏的特性以及CSK信号是利用码相位偏移量来调制电文信息的特点，通过压缩感知算法就可以有效替代传统跟踪环需要做大量相关运算的步骤，极大地降低了运算量。

步骤一：将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO；

步骤二：输入离散时间的数字中频信号，将步骤一所述载波NCO产生的同相载波与所述数字中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将步骤一所述载波NCO产生的正交相位载波与所述数字中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号；

步骤三：将所述剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入；

步骤四：将截取的所述同相i支路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量；

步骤五：提取本地PRN码通过所述码相位偏移量进行循环移位，得到即时(Prompt)支路信号；

步骤六：将所述即时(Prompt)支路信号送入移位寄存器，分别向前、向后移位半个码片，得到超前(Early)支路信号和滞后(Late)支路信号；

步骤七：将所述超前(Early)支路信号、即时(Prompt)支路信号和滞后(Late)支路信号分别与步骤三的所述同相i支路信号及所述正交q支路信号做相关运算，得到解扩后的基带信号i

步骤八：通过积分-清除器，进一步提高所述i

步骤九：把所述信号I

步骤十：把所述I

步骤十一：每完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。

优选地，该方法还包括步骤十二：当电文跟踪解调完之后，将电文数据进行解析，然后通过定位算法计算，完成定位。给重复步骤一至步骤十一，就可以实现长时间连续定位。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供低运算量码移键控信号跟踪装置，该装置包括：

载波及码NCO更新模块，用于将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO；

信号接收处理模块，用于输入离散时间的数字中频信号，将所述载波NCO产生的同相载波与所述中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将所述载波NCO产生的正交相位载波与所述中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号；

信号截取模块，用于将剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入；

码相位偏移计算模块，用于将截取的所述同相i路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量；

循环移位模块Ⅰ，用于提取本地PRN码通过所述码相位偏移量进行循环移位，得到即时(Prompt)支路信号；

循环移位模块Ⅱ，用于将所述即时(Prompt)支路信号送入移位寄存器，分别向前、向后移位半个码片，得到超前(Early)支路信号和滞后(Late)支路信号；

解扩模块，将所述超前(Early)支路信号、即时(Prompt)支路信号和滞后(Late)支路信号分别与所述同相i支路信号及所述正交q支路信号做相关运算，得到解扩后的基带信号i

积分模块，通过积分-清除器，进一步提高解扩模块所述i

码环模块，用于积分模块所述I

载波环模块，用于积分模块所述I

电文提取模块，用于完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。

优选地，该跟踪装置还包括电文解析模块，用于通过跟踪得到的码相位，通过查表映射获得电文，然后通过电文解析模块将导航电文解析后，实现定位。

如上所述，本发明的一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置，具有以下有益效果：

(1)计算复杂度上，针对传统CSK信号跟踪环需要大量相关器问题，利用导航信号的稀疏性得到结合压缩感知方法来完成CSK信号跟踪环的改进，相比于传统的CSK信号跟踪环，相关器的个数从3S个将为6个，此跟踪环极大地降低了计算量，从而提高接收机性能。同时，在获取码相位的运算上，利用导航信号的相关后具有稀疏性，压缩感知算法运算复杂度为O(KMN)远小于通过FFT获取码相位的运算复杂度

(2)在算法上，针对CSK信号的码相位只有前面S个偏移量的可能，所以计算时只要计算码相位存在，从而调整常规的压缩感知算法中的正交基矩阵，减少了不必要的计算。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

图1是本发明实施提供的一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明实施例提供的一种低运算量码移键控调制信号的跟踪方法，针对的C/A码在码相位域上，由于良好的自相关特性，所以只有接收信号的码相位与本地码相位对齐时，具有唯一峰值的特性，则具有稀疏的特性。那么获取信号的码相位时可以采用基于压缩感知算法思想来降低运算量，提高跟踪的速度。为了实现信号的跟踪，那么则需要加入码环和载波环动态调整环路参数，以实现对整段信号进行跟踪。具体包括以下步骤：

步骤一：跟踪前必须要获得的参数的前提是在卫星信号过程中产生的多普勒频移以及码相位偏移，将其输入到载波NCO和码NCO，此步骤是可以确保后续的跟踪信号时可以基本与本地伪码相位对齐，减少对信噪比的损耗。

步骤二：接收卫星CSK调制信号经过下变频模块下变频成中频模拟信号，然后经过模数(A/D)转换器将其转变成离散的数字中频CSK信号，接收到的CSK信号数学模型为s(n)：

式中P

C

C

其中，c

载波NCO产生带多普勒偏移的相位为COS和SIN两路载波，与中频输入信号相乘分别得到包含所有信号能量的i支路信号，和只含噪声的q支路信号。用于载波跟踪环路和码跟踪环路的调整使得整个跟踪过程中i支路信号输出的信号功率最大，同时使得q支路信号输出尽可能地只包含噪声，从而减少对信号的强度的损耗。输入信号经过与本地经过多普勒频移调整的载波相乘，得到同相I和正交Q两路信号如下所示：

I(n)＝s(n)sin[2π(f

Q(n)＝s(n)cos[2π(f

步骤三：保存数据前必须要经过位同步，位同步的方法是读取最先进来的中频信号数据，每次读取1ms数据与本地的PRN码做相关，如出现相关峰，则说明当前的读取的数据CSK符号的周期里，然后接着依次读取下一个1ms数据继续与本地PRN码做相关运算，要是连续出现R个相关峰意味着进来的数据已经处于位同步状态。要是在某次相关运算并没有相关峰，说明此时并没有达到位同步状态，此时读取中频信号数据的位置处在两个不同的CSK符号之间，则需要通过将中频信号每次滑动一个码片与本地PRN码做相关运算，直至出现相关峰为止，接收信号与本地码对齐，此处是某个CSK符号开始的位置，达到位同步状态。位同步后截取1ms的信号长度作为跟踪输入

步骤四：改进压缩感知基矩阵

压缩感知具体步骤，以长度为1023码片的PRN码，每个CSK符号调制8bit电文数据为例说明：

由于码相位捕获精度至少为半个码片以上，则根据捕获得到的卫星号和CSK调制的阶数，选用本地PRN码每次循环移动半个码片，移动次数则以CSK调制阶数决定，比如S＝2

接收信号r可以用正交基矩阵表示，向量η包含了PRN码的相位信息

根据CSK调制阶数选取维度M×N(M＜＜N)随机高斯矩阵作为观测矩阵，包含码相位信息的向量η从N维降为M维，这样就降低了运算复杂度，观测矩阵Φ表达式如下。

其中，N表示输入信号的点数，M表示压缩后的样本数，矩阵的每个单元均独立地服从均值为0，方差为1/M的高斯分布。

将步骤三的观测矩阵Φ对输入信号进行压缩，得到M维的观测向量y以及传感矩阵Θ。

y＝Φr＝ΦCη＝Θη

重构信号，采用正交匹配追踪(OMP)算法对稀疏信号进行重构，OMP算法步骤如下：

(1)初始化，令残余信号v

(2)计算传感矩阵Φ中每一列向量与残余信号v

(3)更新用于保存匹配列数的向量λ和匹配列的矩阵Λ，即λ＝λ∪l

(4)求解稀疏系数η的估计值

(5)更新残余信号

(6)如果满足设定停止条件，则停止迭代，从稀疏系数

步骤五：通过步骤四得到的码相位偏移值m

C

其中，c

步骤六：P支路信号再送入移位寄存器，分别向前，向后移位半个码片就可以得到E支路信号和L支路信号。E支路信号数学表达式为：

C

L支路信号数学表达式为：

C

步骤七：步骤四和步骤五中所述的E支路信号、P支路信号和L支路信号分别与步骤三所述的i支路信号和q支路信号做相关运算就可以得到i

相关结果i

i

q

其中，a为信号幅度；τ

同理，相关结果i

i

q

相关结果i

i

q

步骤八：步骤七得到的是解扩后基带信号数据，通过利用积分-清除器可以对解扩后基带信号进行相干积分，这样可以进一步提高信噪比，变为I

相干积分结果I

I

Q

I

步骤九：I

步骤十：I

步骤十一：每完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。

步骤十二：当电文跟踪解调完之后，将电文数据进行解析，然后通过定位算法计算，完成定位。给重复步骤一至步骤十一，就可以实现长时间连续定位。

本发明还提供一种低运算量码移键控信号跟踪装置，该装置包括：载波及码NCO更新模块、信号接收处理模块、信号截取模块、码相位偏移计算模块、循环移位模块Ⅰ、循环移位模块Ⅱ、解扩模块、积分模块、码环模块、载波环模块、电文提取模块和电文解析模块。

载波及码NCO更新模块，将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO。

具体地，跟踪前必须要获得的参数的前提是在卫星信号过程中产生的多普勒频移以及码相位偏移，将其输入到载波NCO和码NCO，此步骤是确保后续的跟踪信号时可以基本与本地伪码相位对齐，减少对信噪比的损耗。

信号接收处理模块，输入离散时间的数字中频信号，将所述载波NCO产生的同相载波与所述中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将所述载波NCO产生的正交相位载波与所述中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号。

具体地，接收卫星CSK调制信号经过下变频模块下变频成中频模拟信号，然后经过模数(A/D)转换器将其转变成离散的数字中频CSK信号，接收到的CSK信号数学模型为s(n)：

式中P

C

C

其中，c

载波NCO产生带多普勒偏移的相位为COS和SIN两路载波，与中频输入信号相乘分别得到包含所有信号能量的i支路信号，和只含噪声的q支路信号。用于载波跟踪环路和码跟踪环路的调整使得整个跟踪过程中i支路信号输出的信号功率最大，同时使得q支路信号输出尽可能地只包含噪声，从而减少对信号的强度的损耗。输入信号经过与本地经过多普勒频移调整的载波相乘，得到同相I和正交Q两路信号如下所示：

I(n)＝s(n)sin[2π(f

Q(n)＝s(n)cos[2π(f

信号截取模块，将剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入。

具体地，保存数据前必须要经过位同步，位同步的方法是读取最先进来的中频信号数据，每次读取1ms数据与本地的PRN码做相关，如出现相关峰，则说明当前的读取的数据CSK符号的周期里，然后接着依次读取下一个1ms数据继续与本地PRN码做相关运算，要是连续出现R个相关峰意味着进来的数据已经处于位同步状态。要是在某次相关运算并没有相关峰，说明此时并没有达到位同步状态，此时读取中频信号数据的位置处在两个不同的CSK符号之间，则需要通过将中频信号每次滑动一个码片与本地PRN码做相关运算，直至出现相关峰为止，接收信号与本地码对齐，此处是某个CSK符号开始的位置，达到位同步状态。位同步后，保存每次保存R个周期长度的数据，按顺序截取1ms的信号长度作为跟踪输入

码相位偏移计算模块，将截取的所述同相i路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量。

具体地，改进压缩感知基矩阵，具体步骤，以长度为1023码片的PRN码，每个CSK符号调制8bit电文数据为例说明：

由于码相位捕获精度至少为半个码片以上，则根据捕获得到的卫星号和CSK调制的阶数，选用本地PRN码每次循环移动半个码片，移动次数则以CSK调制阶数决定，比如S＝2

接收信号r可以用正交基矩阵表示，向量η包含了PRN码的相位信息

根据CSK调制阶数选取维度M×N(M＜＜N)随机高斯矩阵作为观测矩阵，包含码相位信息的向量η从N维降为M维，这样就降低了运算复杂度，观测矩阵Φ表达式如下。

其中，N表示输入信号的点数，M表示压缩后的样本数，矩阵的每个单元均独立地服从均值为0，方差为1/M的高斯分布。

将步骤三的观测矩阵Φ对输入信号进行压缩，得到M维的观测向量y以及传感矩阵Θ。

y＝Φr＝ΦCη＝Θη

重构信号，采用正交匹配追踪(OMP)算法对稀疏信号进行重构，OMP算法步骤如下：

(1)初始化，令残余信号v

(2)计算传感矩阵Φ中每一列向量与残余信号v

(3)更新用于保存匹配列数的向量λ和匹配列的矩阵Λ，即λ＝λ∪l

(4)求解稀疏系数η的估计值

(5)更新残余信号

(6)如果满足设定停止条件，则停止迭代，从稀疏系数

循环移位模块Ⅰ，通过步骤四得到的码相位偏移值m

C

其中，c

循环移位模块Ⅱ，P支路信号再送入移位寄存器，分别向前，向后移位半个码片就可以得到E支路信号和L支路信号。E支路信号数学表达式为：

C

L支路信号数学表达式为：

C

解扩模块，循环移位模块Ⅰ和循环移位模块Ⅱ所述的E支路信号、P支路信号和L支路信号分别与信号截取模块的i支路信号，q支路信号做相关运算就可以得到i

相关结果i

i

q

其中，a为信号幅度；τ

同理，相关结果i

i

q

相关结果i

i

q

积分模块，通过积分-清除器，进一步提高解扩模块所述i

具体地，解扩得到的是解扩后基带信号数据，通过利用积分-清除器可以对解扩后基带信号进行相干积分，这样可以进一步提高信噪比，变为I

相干积分结果I

I

Q

I

码环模块，用于积分模块所述I

具体地，I

载波环模块，用于积分模块所述I

具体地，I

电文提取模块，用于完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。

电文解析模块，用于通过跟踪得到的码相位，通过查表映射获得电文，然后通过电文解析模块将导航电文解析后，实现定位。

上述实施仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。